JP2012103666A - 光機能素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで作製可能な高効率の直線偏光子を実現することができる光機能素子を提供する。
【解決手段】透光性基板１１と、透光性基板１１の一方の面に形成された凹凸パターン１２とからなり、凹凸パターン１２側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる光学部材１０ａと、光学部材１０ａの透光性基板１１側に配置され、前記１次の透過回折光の光路を偏向して前記０次の透過回折光と合流させる光路偏向部材とを備えた光機能素子である。凹凸パターン１２を構成する各凸部１２ａの、透光性基板１１と反対側の部分は、ｘ軸に対して非対称な形状に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の光源から高効率で直線偏光の光を取り出すために用いられる光機能素子に関する。

近年、液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が多数製品化されているが、液晶表示装置の光源として、従来のハロゲンランプや冷陰極蛍光管（ＣＣＦＴ：Cold Cathode Fluorescent Tube）に代わり、高輝度のＬＥＤ等が用いられるようになってきた。そして、ＬＥＤ等を液晶表示装置の光源として用いる場合には、ＬＥＤ等から出射される光を直線偏光に変換する必要がある。

従来、ＬＥＤ等から出射される光を直線偏光に変換する手段としては、一般的に、直線偏光子が用いられている。

しかし、直線偏光子を用いて、ＬＥＤ等から出射された光を直線偏光に変換するときに、透過光量が半分以下になってしまう。従って、十分な光量を得るためには、より多くの光量ひいてはより多くのエネルギーを要する。透過光量を稼ぐために、従来、ポラライジングコンバータ（ＰＬＣ）又はＰＳコンバータと呼ばれる、偏光プリズムと波長板を組み合わせた素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

永瀬 修："照明光学系"、プロジェクターの最新技術、p p82-96（シーエムシー出版 2005）

しかし、従来提案されているものにあっては、偏光プリズム形成のためあるいは波長板形成のために多層膜形成プロセス及び多数のプリズム貼り合わせプロセスが必要となり、高コスト化を招いてしまうという問題があった。また、既存偏光板を用いた偏光素子においては、無偏光を入射したときに特定方向の偏光成分の透過率が５０％を超える現象は実現されていなかった。

本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、低コストで作製可能な高効率の直線偏光子を実現することができる光機能素子を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る光機能素子の構成は、透光性基板と、前記透光性基板の一方の面に形成された凹凸パターンとを含み、前記凹凸パターン側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる光学部材と、前記光学部材の前記透光性基板側に配置され、前記１次の透過回折光の光路を偏向して前記０次の透過回折光と合流させる光路偏向部材とを備えた光機能素子であって、前記凹凸パターンを構成する各凸部の、前記透光性基板と反対側の部分が、特定の基準軸に対して非対称な形状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、無偏光を入射したときに、０次の透過回折光と１次の透過回折光の合計透過率が、特定の偏向成分において５０％よりも大きくなる。すなわち、本発明の光機能素子によれば、特定の偏向成分において透過率が５０％よりも大きい直線偏光を取り出すことができる直線偏光子を実現することができる。また、本発明の光機能素子は構成も単純であるため、本発明によれば、低コストで作製可能な高効率の直線偏光子を実現することができる。そして、本発明の光機能素子を用いれば、ＬＥＤ等の光源の光を有効に活用することができるので、液晶等を用いた明るい表示装置あるいは省電力の表示装置を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子を示す概略構成図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子の構成要素である偏光変換部材を示す斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。 図４は、本発明の実施例１における光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性を示すグラフである。 図５は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子の他の例を示す概略構成図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子のさらに他の例を示す概略構成図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子のさらに他の例を示す概略構成図である。 図８は、本発明の実施例２における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。 図９は、本発明の実施例２における光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性を示すグラフである。 図１０は、本発明の比較例１における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。 図１１は、本発明の比較例１における光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性を示すグラフである。 図１２は、本発明の第２の実施の形態における光機能素子の構成要素である偏光変換部材を示す斜視図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。 図１４は、本発明の実施例３における光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性を示すグラフである。 図１５は、本発明の実施例３における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンのパターンずれを模式的に示す斜視図である。 図１６Ａは、本発明の実施例３における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の誘電体層（第２層）のパターンずれに対する透過率の変化を示すグラフである。 図１６Ｂは、本発明の実施例３における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の第２の金属層（第３層）のパターンずれに対する透過率の変化を示すグラフである。 図１７は、本発明の実施例４における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。 図１８は、本発明の実施例４における光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性を示すグラフである。 図１９は、本発明の比較例２における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。 図２０は、本発明の比較例２における光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性を示すグラフである。

本発明の光機能素子は、透光性基板と、前記透光性基板の一方の面に形成された凹凸パターンとを含み、前記凹凸パターン側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる光学部材と、前記光学部材の前記透光性基板側に配置され、前記１次の透過回折光の光路を偏向して前記０次の透過回折光と合流させる光路偏向部材とを備えた光機能素子である。そして、本発明の光機能素子は、前記凹凸パターンを構成する各凸部の、前記透光性基板と反対側の部分が、特定の基準軸に対して非対称な形状に形成されていることを特徴としている。

本発明の光機能素子の構成においては、前記凹凸パターンを構成する各凸部が、前記透光性基板側から順に積層された、第１の金属層と誘電体層と第２の金属層とからなるのが好ましい。また、この場合には、前記第２の金属層が、直方体の一部が切り欠かれた形状を有するのが好ましい。

また、本発明の光機能素子の構成においては、前記凹凸パターンが、前記透光性基板上に周期的に配置されているのが好ましい。また、この場合には、特定の基準軸に沿った方向のパターン周期、及び、前記特定の基準軸に直交する軸に沿った方向のパターン周期のいずれかが、前記光機能素子の使用波長と同等であるのが好ましい。

また、本発明の光機能素子の構成においては、透過光路中に透過光の消光比を向上させる偏光子をさらに備えているのが好ましい。

また、本発明の光機能素子の構成においては、前記光路偏向部材が、反射、屈折又は回折によって前記１次の透過回折光の光路を偏向するのが好ましい。また、この場合には、前記光路偏向部材としての回折部材が、ブレーズ型回折格子であるのが好ましい。

以下、好適な実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、下記の実施の形態は本発明を具現化した例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態における光機能素子を示す概略構成図、図２は、当該光機能素子の構成要素である偏光変換部材を示す斜視図、図３は、当該偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。

図１〜図３に示すように、本実施の形態の光機能素子１ａは、光学部材としての偏光変換部材１０ａと、光路偏向部材２０ａと、偏光子３０ａとからなる。

偏光変換部材１０ａは、特定の波長の特定の偏光方向の光を、それと同一波長で、偏光方向が直交する光に変換する作用を有する。そして、この変換作用により、無偏向を入射したときに、特定方向の偏光成分の透過率を見かけ上５０％よりも大きくすることができる。このような、無偏光を入射したときに特定方向の偏光成分の透過率が５０％を超える現象は、従来の素子では為し得なかった特性であり、各凸部の、透光性基板と反対側の部分が、特定の基準軸に対して非対称な形状に形成された凹凸パターンによって回折される１次の透過回折光と０次の透過回折光を同時に有効利用することにより実現できることが、ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションによって確認された。

図１、図２に示すように、光機能素子１ａの偏光変換部材１０ａは、石英、光学ガラス等からなる透光性基板１１と、透光性基板１１の一方の面に形成された凹凸パターン１２とを含み、凹凸パターン１２側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる。凹凸パターン１２は、透光性基板１１上に周期的に配置されているのが好ましく、特定の基準軸に沿った方向の周期、及び、前記特定の基準軸に直交する軸に沿った方向の周期のいずれかが、光機能素子１ａの使用波長と同等であるのが好ましい。本実施の形態において、凹凸パターン１２の配列周期は、ｘ軸方向で光機能素子１ａの使用波長とほぼ同等であり、ｙ軸方向でその６０〜７０％となっている。

図１〜図３に示すように、凹凸パターン１２を構成する各凸部１２ａは、透光性基板１１上に左右対称に形成されたＬ字状の一対の第１の金属層１２１ａ、１２１ｂと、第１の金属層１２１ａ、１２１ｂ上に形成された直方体状の一対の誘電体層１２２ａ、１２２ｂと、誘電体層１２２ａ、１２２ｂ上に配置され、直方体の一部を切り欠いて形成されたコ字状の第２の金属層１２３ａとからなっている。ここで、一対の第１の金属層１２１ａ、１２１ｂの左右対称軸はｙ軸である。また、第２の金属層１２３ａは、ｙ軸に対して左右対称となっており、ｘ軸に対して非対称な形状に形成されている。

第１の金属層１２１ａ、１２１ｂ及び第２の金属層１２３ａを構成する金属は、使用する光の波長によって適宜選択されるが、導電性の良好なものが好ましく、候補となる金属としては、例えば、アルミニウム、金、銀、銅あるいはそれらを主成分とする合金などがある。

誘電体層１２２ａ、１２２ｂを構成する誘電体としては、例えば、石英などがある。

図１に示すように、光路偏向部材２０ａは、偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２と反対側の面上に配置された逆四角錐台状の光学ガラス等からなる部材であり、偏光変換部材１０ａによって回折された０次の透過回折光はそのまま透過し、１次の透過回折光を利用可能な方向に偏向する作用を有する。すなわち、偏光変換部材１０ａによって回折された１次の透過回折光は、光路偏向部材２０ａによってその光路を偏向され、再び０次の透過回折光と合流し、液晶等の光変調素子１００ａ等に導光される。このように０次の透過回折光と１次の透過回折光を再び合流させることにより、初めて、特定方向の偏光成分の透過率を５０％よりも大きくすることができる。図１の構成においては、反射によって１次の透過回折光の光路を偏向するようにされている。

尚、本実施の形態においては、凹凸パターン１２を構成する各凸部１２ａが、第１の金属層と誘電体層と第２の金属層の３層構造によって構成されているが、必ずしもかかる構成に限定されるものではない。凹凸パターンを構成する各凸部の、透光性基板と反対側の部分が、特定の基準軸に対して非対称な形状に形成されていれば足り、例えば、各凸部の全体が金属で形成されていてもよい。

また、本実施の形態においては、光機能素子１ａの構成要素として偏光子３０ａが含まれているが、偏光子３０ａは必ずしも必須の構成要素ではない。この偏光子３０ａは、消光比が不足する場合等に必要となるものである。

また、本実施の形態においては、光路偏向部材２０ａの偏光変換部材１０ａと反対側に、光路偏向部材２０ａと離間して偏光子３０ａが配置されているが、図５に示すように、光路偏向部材２０ａの偏光変換部材１０ａと反対側の面に当接させて偏光子３１ｅを設けるようにしてもよい。

また、図１の構成においては、反射によって１次の透過回折光の光路を偏向するようにされているが、必ずしもかかる構成に限定されるものではない。

例えば、図６に示す光機能素子１ｂのように、偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２と反対側の面上に四角錐台状の光学ガラス等からなる部材である光路偏向部材５０を配置し、屈折によって１次の透過回折光の光路を偏向するようにしてもよい。但し、この場合、光路偏向部材５０の材料として屈折率１．５程度の硝材を用いると、光路偏向部材５０の側面の傾斜角が８０度を超えてしまうので、なるべく屈折率の高い硝材を用いるのが好ましい。例えば、SCHOTT（ショット）社製のLASF35高屈折率ガラス（屈折率２．０）等が有望である。また、この場合、１次の透過回折光のビーム形状が光路偏向部材５０の屈折作用によって一方向に圧縮されるので、０次回折光とビーム形状を合わせるための、例えば、シリンドリカルレンズ５１等を配置するのが好ましい。

また、図７に示す光機能素子１ｃのように、偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２と反対側の面上に設けられた直方体状の光学ガラス等からなる部材６０と、部材６０の偏光変換部材１０ａと反対側の面上の１次の透過回折光の光路中に設けられた回折格子６１ａ、６１ｂとからなる光路偏向部材を配置し、回折によって１次の透過回折光の光路を偏向するようにしてもよい。但し、この場合、目的とする方向のみの回折効率を上げるために、いわゆるブレーズ型回折格子を用いるのが好ましい。ブレーズ型回折格子６１ａ、６１ｂは、例えば、紫外線硬化性樹脂（ＵＶ樹脂）によって形成され、ブレーズ型回折格子６１ａとブレーズ型回折格子６１ｂとで、格子の断面形状が互いに逆向きとなる。

以下、具体的実施例を挙げて、本実施の形態における光機能素子について詳細に説明する。

［実施例１］
本実施例１の光機能素子１ａは、図１〜図３に示す構成を備えている。

図１〜図３に示すように、本実施例１の光機能素子１ａは、偏光変換部材１０ａと、光路偏向部材２０ａと、偏光子３０ａとからなる。

図１〜図３に示すように、光機能素子１ａの偏光変換部材１０ａは、ガラス等の透光性基板１１と、透光性基板１１の一方の面に形成された凹凸パターン１２とからなり、凹凸パターン１２側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる。光機能素子１ａの使用波長は６７０ｎｍである。凹凸パターン１２のｘ軸方向の配列周期は、光機能素子１ａの使用波長とほぼ同等の６６０ｎｍであり、凹凸パターン１２のｙ軸方向の配列周期は、その約６０％の４００ｎｍとなっている。

図１〜図３に示すように、凹凸パターン１２を構成する各凸部１２ａは、透光性基板１１上に左右対称に形成されたＬ字状の一対の第１の金属層１２１ａ、１２１ｂと、第１の金属層１２１ａ、１２１ｂ上に形成された直方体状の石英からなる一対の誘電体層１２２ａ、１２２ｂと、誘電体層１２２ａ、１２２ｂ上に配置され、直方体の一部を切り欠いて形成されたコ字状の第２の金属層１２３ａとからなっている。

Ｌ字状の第１の金属層１２１ａ、１２１ｂの太さ（幅）及び高さは６０ｎｍ、左右対称軸であるｙ軸に平行な方向の長さは１５０ｎｍ、それと直交する方向の長さは１２０ｎｍ、左右対称軸であるｙ軸を挟んでの距離は１２０ｎｍである。

直方体状の誘電体層１２２ａ、１２２ｂの底面の形状は、短辺が６０ｎｍ、長辺が１５０ｎｍであり、高さは１２０ｎｍである。

コ字状の第２の金属層１２３ａは、長辺２４０ｎｍ、短辺１５０ｎｍの直方体の一方の長辺側が１２０ｎｍ×９０ｎｍの大きさで切り欠かれている。

ここで、第１の金属層１２１ａ、１２１ｂ及び第２の金属層１２３ａを構成する金属としては、金を用いた。

図１〜図３に示した光機能素子１ａに無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性をＦＤＴＤ法によって計算した結果を図４に示す。光の入射は、偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２側からの垂直入射とした。

図４において、細い実線は、ｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｘ偏光_total）、細い一点鎖線は、ｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光（ｘ偏光_０次光）、細い破線は、ｘ軸方向偏光成分の１次の透過回折光（ｘ偏光_１次光）、太い実線は、ｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）、太い一点鎖線は、ｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光（ｙ偏光_０次光）、太い破線は、ｙ軸方向偏光成分の１次の透過回折光（ｙ偏光_１次光）の透過率特性をそれぞれ表している（後述の図９、図１１、図１４、図１８、図２０においても同様である）。

図４に示すように、使用波長６７０ｎｍにおいて、無偏光入射時の透過光のｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）が５８％となっており、従来の直線偏光子では達成できなかった透過率５０％を超すことが確認できた。

ここで、偏光変換部材１０ａは、ｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光も５％程度透過してしまうので、そのままでは、直線偏光子として用いるには消光比が不足する。このため、本実施例１においては、ワイヤーグリッド偏光子３０ａが後段に配置されている。ワイヤーグリッド偏光子は、一般に、６７０ｎｍ程度の波長では、消光比が十分に高く、しかも透過率は９５％以上となるので、後段にワイヤーグリッド偏光子３０ａを配置しても、ｙ軸方向偏光成分の透過率として５５％程度を確保することができる。従って、本実施例１の光機能素子１ａを用いれば、消光比が高くかつ十分に明るい直線偏光子を実現することができる。

本実施例１においては、光路偏向部材２０ａとして、光学ガラスを用いた逆四角錐台状のものを用いるのが有効である。偏光変換部材１０ａの透光性基板１１及び光路偏向部材２０ａの硝材屈折率を１．５とすると、波長６７０ｎｍの１次の透過回折光の回折角は約４２度となるので、光路偏向部材２０ａの側面の傾斜角を約７０度に設定することにより、０次の透過回折光と１次の透過回折光の相対角度を数度以下にすることができ、０次の透過回折光と１次の透過回折光を緩やかに合成することができる。尚、光路偏向部材２０ａの逆四角錐台の側面に入射する１次の透過回折光の入射角は、臨界角以上であるので、逆四角錐台の側面に反射材をコーティングしなくても、全反射が可能となり、低コストで光路偏向部材２０ａを実現することが可能となる。

［実施例２］
本実施例２の光機能素子の構成要素である偏光変換部材１０ｂは、図８に示す構成を備えている。その他の構成要素及び凹凸パターン１２の配列周期は、上記実施例１の場合と同一である。

図８に示すように、凹凸パターン１２を構成する各凸部１２ｂは、透光性基板１１上に左右対称に形成されたＬ字状の一対の第１の金属層１２１ｃ、１２１ｄと、第１の金属層１２１ｃ、１２１ｄ上に形成された直方体状の石英からなる一対の誘電体層１２２ｃ、１２２ｄと、誘電体層１２２ｃ、１２２ｄ上に配置され、直方体の一部を切り欠いて形成されたコ字状の第２の金属層１２３ｂとからなっている。

Ｌ字状の第１の金属層１２１ｃ、１２１ｄの太さ（幅）及び高さは６０ｎｍ、左右対称軸であるｙ軸に平行な方向の長さは１５０ｎｍ、それと直交する方向の長さは１２０ｎｍ、左右対称軸であるｙ軸を挟んでの距離は１２０ｎｍである。

直方体状の誘電体層１２２ｃ、１２２ｄの底面の形状は、短辺が６０ｎｍ、長辺が１５０ｎｍであり、高さは１５０ｎｍである。

コ字状の第２の金属層１２３ｂは、長辺２４０ｎｍ、短辺１８０ｎｍの直方体の一方の長辺側が１２０ｎｍ×１２０ｎｍの大きさで切り欠かれている。

ここで、第１の金属層１２１ｃ、１２１ｄ及び第２の金属層１２３ｂを構成する金属としては、金を用いた。

図１、図２、図８に示した光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性をＦＤＴＤ法によって計算した結果を図９に示す。光の入射は、偏光変換部材１０ｂの凹凸パターン１２側からの垂直入射とした。

図９に示すように、使用波長６７０ｎｍにおいて、無偏光入射時の透過光のｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）が５７％となっており、従来の直線偏光子では達成できなかった透過率５０％を超すことが確認できた。

ここで、偏光変換部材１０ｂは、ｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光も１２％程度透過してしまうので、そのままでは、直線偏光子として用いるには消光比が不足する。このため、本実施例２においては、上記実施例１の場合と同様に、ワイヤーグリッド偏光子が後段に配置されるが、後段にワイヤーグリッド偏光子を配置しても、ｙ軸方向偏光成分の透過率として５４％程度を確保することができる。従って、本実施例２の光機能素子を用いれば、消光比が高くかつ十分に明るい直線偏光子を実現することができる。

本実施例２においても、上記実施例１の場合と同様に、光路偏向部材として、光学ガラスを用いた逆四角錐台状のものを用いるのが有効である。

［比較例１］
本発明の比較例１の光機能素子の構成要素である偏光変換部材１０ｄは、図１０に示す構成を備えている。その他の構成要素及び凹凸パターン１２の配列周期は、上記実施例１の場合と同一である。

図１０に示すように、凹凸パターン１２を構成する各凸部１２ｄは、第２の金属層が切り欠き無しの直方体からなっている以外は、上記実施例１の各凸部１２ａと同じである。

図１、図２、図１０に示した光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性をＦＤＴＤ法によって計算した結果を図１１に示す。光の入射は、偏光変換部材１０ｄの凹凸パターン１２側からの垂直入射とした。

図１１に示すように、全ての波長域において、無偏光入射時の透過光のｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）も無偏光入射時の透過光のｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｘ偏光_total）も５０％以下となっており、期待される透過率は実現できないことが確認された。

［第２の実施の形態］
本実施の形態における光機能素子の概略構成は、上記第１の実施の形態において図１、図５〜図７を用いて説明した光機能素子と同じであり、本実施の形態においては、代表例として図１を参照する。

図１２は、本発明の第２の実施の形態における光機能素子の構成要素である偏光変換部材を示す斜視図、図１３は、当該偏光変換部材の凹凸パターンを構成する各凸部の構造の詳細を示す斜視図である。

図１、図１２、図１３に示すように、本実施の形態の光機能素子１ａは、光学部材としての偏光変換部材１０ａと、光路偏向部材２０ａと、偏光子３０ａとからなる。

図１、図１２に示すように、光機能素子１ａの偏光変換部材１０ａは、石英、光学ガラス等からなる透光性基板１１と、透光性基板１１の一方の面に形成された凹凸パターン１２’とを含み、凹凸パターン１２’側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる。凹凸パターン１２’は、透光性基板１１上に周期的に配置されているのが好ましく、特定の基準軸に沿った方向の周期、及び、前記特定の基準軸に直交する軸に沿った方向の周期のいずれかが、光機能素子１ａの使用波長と同等であるのが好ましい。本実施の形態において、凹凸パターン１２’の配列周期は、ｘ軸方向で光機能素子１ａの使用波長とほぼ同等であり、ｙ軸方向でその約半分となっている。

図１、図１２、図１３に示すように、凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ａ’は、透光性基板１１上に左右対称に形成された直方体状の一対の第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’と、第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’上に形成された角棒状の一対の誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’と、誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’上に配置され、直方体の一部を切り欠いて形成されたコ字状の第２の金属層１２３ａ’とからなっている。ここで、一対の第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’の左右対称軸はｘ軸及びｙ軸である。また、第２の金属層１２３ａ’は、ｙ軸に対して左右対称となっており、ｘ軸に対して非対称な形状に形成されている。

第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’及び第２の金属層１２３ａ’を構成する金属は、使用する光の波長によって適宜選択されるが、導電性の良好なものが好ましく、候補となる金属としては、例えば、アルミニウム、金、銀、銅あるいはそれらを主成分とする合金などがある。

誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’を構成する誘電体としては、例えば、石英や光透過性樹脂などがある。

尚、本実施の形態においては、凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ａ’が、第１の金属層と誘電体層と第２の金属層の３層構造によって構成されているが、必ずしもかかる構成に限定されるものではない。凹凸パターンを構成する各凸部の、透光性基板と反対側の部分が、特定の基準軸に対して非対称な形状に形成されていれば足り、例えば、各凸部の全体が金属で形成されていてもよい。

以下、具体的実施例を挙げて、本実施の形態における光機能素子について詳細に説明する。

［実施例３］
本実施例３の光機能素子１ａは、図１、図１２、図１３に示す構成を備えている。

図１、図１２、図１３に示すように、本実施例３の光機能素子１ａは、偏光変換部材１０ａと、光路偏向部材２０ａと、偏光子３０ａとからなる。

図１、図１２、図１３に示すように、光機能素子１ａの偏光変換部材１０ａは、ガラス等の透光性基板１１と、透光性基板１１の一方の面に形成された凹凸パターン１２’とからなり、凹凸パターン１２’側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる。光機能素子１ａの使用波長は６８０ｎｍである。凹凸パターン１２’のｘ軸方向の配列周期は、光機能素子１ａの使用波長と同等の６８０ｎｍであり、凹凸パターン１２’のｙ軸方向の配列周期については後述する。

図１、図１２、図１３に示すように、凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ａ’は、透光性基板１１上に左右対称に形成された直方体状の一対の第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’と、第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’上に形成された角棒状の石英からなる一対の誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’と、誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’上に配置され、直方体の一部を切り欠いて形成されたコ字状の第２の金属層１２３ａ’とからなっている。

直方体状の第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’の太さ（幅）及び高さは６０ｎｍ、左右対称軸であるｘ軸に平行な方向の長さは１４０ｎｍであり、ｘ軸方向に８０ｎｍ間隔で直線上に配置されている。また、第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’のｙ軸方向の配列周期は、１６０ｎｍである。

角棒状の誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’の形状は、太さ（幅）が６０ｎｍ、高さが１２０ｎｍであり、長さは偏光変換部材１０ａのｙ軸方向有効サイズと同一の５ｍｍである。

角棒状の誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’の長さは、偏光変換部材１０ａのｙ軸方向有効サイズと同一程度であるのが望ましいが、作製プロセスの制限上、１回のプロセスで偏光変換部材１０ａのｙ軸方向有効サイズに相当する長さとすることが困難である場合には、多数回のプロセスによって連接させた形状であってもよい。

コ字状の第２の金属層１２３ａ’は、長辺２００ｎｍ、短辺１５０ｎｍの直方体の一方の長辺側が８０ｎｍ×９０ｎｍの大きさで切り欠かれており、ｙ軸方向の配列周期は、３２０ｎｍである。

ここで、第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’及び第２の金属層１２３ａ’を構成する金属としては、金を用いた。

図１、図１２、図１３に示した光機能素子１ａに無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性をＦＤＴＤ法によって計算した結果を図１４に示す。光の入射は、偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２’側からの垂直入射とした。

図１４に示すように、使用波長６８０ｎｍにおいて、無偏光入射時の透過光のｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）が６４％となっており、従来の直線偏光子では達成できなかった透過率５０％を超すことが確認できた。

ここで、偏光変換部材１０ａは、ｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光も５％程度透過してしまうので、そのままでは、直線偏光子として用いるには消光比が不足する。このため、本実施例３においては、上記実施例１の場合と同様に、ワイヤーグリッド偏光子３０ａが後段に配置されるが、後段にワイヤーグリッド偏光子３０ａを配置しても、ｙ軸方向偏光成分の透過率として６１％程度を確保することができる。従って、本実施例３の光機能素子１ａを用いれば、消光比が高くかつ十分に明るい直線偏光子を実現することができる。

本実施例３においても、上記実施例１の場合と同様に、光路偏向部材２０ａとして、光学ガラスを用いた逆四角錐台状のものを用いるのが有効である。

本実施例３の光機能素子１ａの構成要素である偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２’の各凸部１２ａ’を構成する各層のアライメントがずれた場合の透過率変化を、ＦＤＴＤ法を用いて計算した。

図１５は、本発明の実施例３における光機能素子の構成要素である偏光変換部材の凹凸パターンのパターンずれを模式的に示す斜視図である。ここでは、第２の金属層（第３層）１２３ａ’をｘ軸方向に４０ｎｍずらした状態を示している。

図１６Ａに、本実施例３における光機能素子１ａの構成要素である偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ａ’の誘電体層（第２層）１２２ａ’、１２２ｂ’のみがその他の層に対して相対的にｘ軸方向にずれた場合の透過率変化を示す。図１６Ａに示すように、誘電体層（第２層）１２２ａ’、１２２ｂ’がｘ軸方向に４０ｎｍずれても、透過率に大きな変化は無いことが分かる。

次に、図１６Ｂに、本実施例３における光機能素子１ａの構成要素である偏光変換部材１０ａの凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ａ’の第２の金属層（第３層）１２３ａ’のみがその他の層に対して相対的にずれた場合の透過率変化を示す。図１６Ｂに示すように、ｘ軸に沿った方向では、±４０ｎｍ程度ずれても透過率に大きな変化は無いことが分かる。また、ｙ軸方向に関しては、±８０ｎｍずれても、透過率に大きな変化は無いことが分かる。ここで、誘電体層１２２ａ’、１２２ｂ’は、ｙ軸方向に対しては、連接した形状になっており、また、第１の金属層１２１ａ’、１２１ｂ’のｙ軸方向の配列周期が１６０ｎｍであることを考えると、第２の金属層１２３ａ’をｙ軸方向に±８０ｎｍずらしても透過率の変化がほとんど無いということから、ｙ軸方向に関してはアライメントフリーであることが分かる。

［実施例４］
本実施例４の光機能素子の構成要素である偏光変換部材１０ｂ’は、図１７に示す構成を備えている。凹凸パターン１２’のｘ軸方向の配列周期は、光機能素子１ａの使用波長と同等の６８０ｎｍであり、凹凸パターン１２’のｙ軸方向の配列周期は３２０ｎｍである。

図１７に示すように、凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ｂ’は、透光性基板１１上に左右対称に形成された直方体状の一対の第１の金属層１２１ｃ’、１２１ｄ’と、第１の金属層１２１ｃ’、１２１ｄ’上に形成された直方体状の石英からなる一対の誘電体層１２２ｃ’、１２２ｄ’と、誘電体層１２２ｃ’、１２２ｄ’上に配置され、直方体の一部を切り欠いて形成されたコ字状の第２の金属層１２３ｂ’とからなっている。

直方体状の第１の金属層１２１ｃ’、１２１ｄ’の太さ（幅）及び高さは６０ｎｍ、左右対称軸であるｘ軸に平行な方向の長さは１４０ｎｍであり、ｘ軸方向に８０ｎｍ間隔で直線上に配置されている。また、第１の金属層１２１ｃ’、１２１ｄ’のｙ軸方向の配列周期は、１２０ｎｍである。

直方体状の誘電体層１２２ｃ’、１２２ｄ’の底面の形状は、太さ（幅）が６０ｎｍ、長さが１５０ｎｍであり、高さは１２０ｎｍである。

コ字状の第２の金属層１２３ｂ’は、長辺２４０ｎｍ、短辺１５０ｎｍの直方体の一方の長辺側が１２０ｎｍ×９０ｎｍの大きさで切り欠かれており、ｙ軸方向の配列周期は、３２０ｎｍである。

ここで、第１の金属層１２１ｃ’、１２１ｄ’及び第２の金属層１２３ｂ’を構成する金属としては、金を用いた。

図１、図１２、図１７に示した光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性をＦＤＴＤ法によって計算した結果を図１８に示す。光の入射は、偏光変換部材１０ｂ’の凹凸パターン１２’側からの垂直入射とした。

図１８に示すように、使用波長６８０ｎｍにおいて、無偏光入射時の透過光のｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）が６２％となっており、従来の直線偏光子では達成できなかった透過率５０％を超すことが確認できた。

ここで、偏光変換部材１０ｂ’は、ｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光も５％程度透過してしまうので、そのままでは、直線偏光子として用いるには消光比が不足する。このため、本実施例４においては、上記実施例１の場合と同様に、ワイヤーグリッド偏光子が後段に配置されるが、後段にワイヤーグリッド偏光子を配置しても、ｙ軸方向偏光成分の透過率として５９％程度を確保することができる。従って、本実施例４の光機能素子を用いれば、消光比が高くかつ十分に明るい直線偏光子を実現することができる。

本実施例４においても、上記実施例１の場合と同様に、光路偏向部材として、光学ガラスを用いた逆四角錐台状のものを用いるのが有効である。

［比較例２］
本発明の比較例２の光機能素子の構成要素である偏光変換部材１０ｄ’は、図１９に示す構成を備えている。その他の構成要素及び凹凸パターン１２’の配列周期は、上記実施例３の場合と同一である。

図１９に示すように、凹凸パターン１２’を構成する各凸部１２ｄ’は、第２の金属層が切り欠き無しの直方体からなっている以外は、上記実施例３の各凸部１２ａ’と同じである。

図１、図１２、図１９に示した光機能素子に無偏光を入射させた場合の透過光の透過率特性をＦＤＴＤ法によって計算した結果を図２０に示す。光の入射は、偏光変換部材１０ｄ’の凹凸パターン１２’側からの垂直入射とした。

図２０に示すように、全ての波長域において、無偏光入射時の透過光のｙ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｙ偏光_total）も無偏光入射時の透過光のｘ軸方向偏光成分の０次の透過回折光と１次の透過回折光との合計（ｘ偏光_total）も５０％以下となっており、期待される透過率は実現できないことが確認された。

本発明によれば、特定の偏向成分において透過率が５０％よりも大きい偏光を取り出すことができる直線偏光子を実現することができる。また、本発明の光機能素子は構成も単純であるため、本発明によれば、低コストで作製可能な高効率の直線偏光子を実現することができる。そして、本発明の光機能素子を用いれば、ＬＥＤ等の光源の光を有効に活用することができるので、液晶等を用いた明るい表示装置あるいは省電力の表示装置を実現することができる。このように、本発明の産業上の利用可能性は高い。

１ａ、１ｂ、１ｃ 光機能素子
１０ａ、１０ｂ、１０ｂ’ 偏光変換部材（光学部材）
１１ 透光性基板
１２、１２’ 凹凸パターン
１２ａ、１２ｂ、１２ａ’、１２ｂ’ 凸部
２０ａ、５０ 光路偏向部材
３０ａ 偏光子
５１ シリンドリカルレンズ
６０ 部材
６１ａ、６１ｂ 回折格子
１００ａ 光変調素子
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ａ’、１２１ｂ’、１２１ｃ’、１２１ｄ’ 第１の金属層
１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’、１２２ｄ’ 誘電体層
１２３ａ、１２３ｂ、１２３ａ’、１２３ｂ’ 第２の金属層

Claims (8)

1. 透光性基板と、前記透光性基板の一方の面に形成された凹凸パターンとを含み、前記凹凸パターン側から光が入射したときに、０次の透過回折光以外に少なくとも１次の透過回折光を生じさせる光学部材と、
   前記光学部材の前記透光性基板側に配置され、前記１次の透過回折光の光路を偏向して前記０次の透過回折光と合流させる光路偏向部材とを備えた光機能素子であって、
   前記凹凸パターンを構成する各凸部の、前記透光性基板と反対側の部分が、特定の基準軸に対して非対称な形状に形成されていることを特徴とする光機能素子。
2. 前記凹凸パターンを構成する各凸部が、前記透光性基板側から順に積層された、第１の金属層と誘電体層と第２の金属層とからなる、請求項１に記載の光機能素子。
3. 前記第２の金属層が、直方体の一部が切り欠かれた形状を有する、請求項２に記載の光機能素子。
4. 前記凹凸パターンが、前記透光性基板上に周期的に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光機能素子。
5. 特定の基準軸に沿った方向のパターン周期、及び、前記特定の基準軸に直交する軸に沿った方向のパターン周期のいずれかが、前記光機能素子の使用波長と同等である、請求項４に記載の光機能素子。
6. 透過光路中に透過光の消光比を向上させる偏光子をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光機能素子。
7. 前記光路偏向部材が、反射、屈折又は回折によって前記１次の透過回折光の光路を偏向する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光機能素子。
8. 前記光路偏向部材としての回折部材が、ブレーズ型回折格子である、請求項７に記載の光機能素子。

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